Theorem isch3 31299

Description: A Hilbert subspace is closed iff it is complete. A complete subspace is one in which every Cauchy sequence of vectors in the subspace converges to a member of the subspace (Definition of complete subspace in [Beran] p. 96). Remark 3.12 of [Beran] p. 107. (Contributed by NM, 24-Dec-2001.) (Revised by Mario Carneiro, 14-May-2014.) (New usage is discouraged.)

Assertion

Ref	Expression
isch3	⊢ (𝐻 ∈ Cℋ ↔ (𝐻 ∈ Sℋ ∧ ∀𝑓 ∈ Cauchy (𝑓:ℕ⟶𝐻 → ∃𝑥 ∈ 𝐻 𝑓 ⇝𝑣 𝑥)))

Distinct variable group:   𝑥,𝑓,𝐻

Proof of Theorem isch3

Step	Hyp	Ref	Expression
1		isch2 31281	. 2 ⊢ (𝐻 ∈ Cℋ ↔ (𝐻 ∈ Sℋ ∧ ∀𝑓∀𝑥((𝑓:ℕ⟶𝐻 ∧ 𝑓 ⇝𝑣 𝑥) → 𝑥 ∈ 𝐻)))
2		ax-hcompl 31260	. . . . . . . . . 10 ⊢ (𝑓 ∈ Cauchy → ∃𝑥 ∈ ℋ 𝑓 ⇝𝑣 𝑥)
3		rexex 3067	. . . . . . . . . 10 ⊢ (∃𝑥 ∈ ℋ 𝑓 ⇝𝑣 𝑥 → ∃𝑥 𝑓 ⇝𝑣 𝑥)
4	2, 3	syl 17	. . . . . . . . 9 ⊢ (𝑓 ∈ Cauchy → ∃𝑥 𝑓 ⇝𝑣 𝑥)
5		19.29 1875	. . . . . . . . 9 ⊢ ((∀𝑥((𝑓:ℕ⟶𝐻 ∧ 𝑓 ⇝𝑣 𝑥) → 𝑥 ∈ 𝐻) ∧ ∃𝑥 𝑓 ⇝𝑣 𝑥) → ∃𝑥(((𝑓:ℕ⟶𝐻 ∧ 𝑓 ⇝𝑣 𝑥) → 𝑥 ∈ 𝐻) ∧ 𝑓 ⇝𝑣 𝑥))
6	4, 5	sylan2 594	. . . . . . . 8 ⊢ ((∀𝑥((𝑓:ℕ⟶𝐻 ∧ 𝑓 ⇝𝑣 𝑥) → 𝑥 ∈ 𝐻) ∧ 𝑓 ∈ Cauchy) → ∃𝑥(((𝑓:ℕ⟶𝐻 ∧ 𝑓 ⇝𝑣 𝑥) → 𝑥 ∈ 𝐻) ∧ 𝑓 ⇝𝑣 𝑥))
7		id 22	. . . . . . . . . . . . . . 15 ⊢ (((𝑓:ℕ⟶𝐻 ∧ 𝑓 ⇝𝑣 𝑥) → 𝑥 ∈ 𝐻) → ((𝑓:ℕ⟶𝐻 ∧ 𝑓 ⇝𝑣 𝑥) → 𝑥 ∈ 𝐻))
8	7	imp 406	. . . . . . . . . . . . . 14 ⊢ ((((𝑓:ℕ⟶𝐻 ∧ 𝑓 ⇝𝑣 𝑥) → 𝑥 ∈ 𝐻) ∧ (𝑓:ℕ⟶𝐻 ∧ 𝑓 ⇝𝑣 𝑥)) → 𝑥 ∈ 𝐻)
9	8	an12s 650	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ ((𝑓:ℕ⟶𝐻 ∧ (((𝑓:ℕ⟶𝐻 ∧ 𝑓 ⇝𝑣 𝑥) → 𝑥 ∈ 𝐻) ∧ 𝑓 ⇝𝑣 𝑥)) → 𝑥 ∈ 𝐻)
10		simprr 773	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ ((𝑓:ℕ⟶𝐻 ∧ (((𝑓:ℕ⟶𝐻 ∧ 𝑓 ⇝𝑣 𝑥) → 𝑥 ∈ 𝐻) ∧ 𝑓 ⇝𝑣 𝑥)) → 𝑓 ⇝𝑣 𝑥)
11	9, 10	jca 511	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ ((𝑓:ℕ⟶𝐻 ∧ (((𝑓:ℕ⟶𝐻 ∧ 𝑓 ⇝𝑣 𝑥) → 𝑥 ∈ 𝐻) ∧ 𝑓 ⇝𝑣 𝑥)) → (𝑥 ∈ 𝐻 ∧ 𝑓 ⇝𝑣 𝑥))
12	11	ex 412	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (𝑓:ℕ⟶𝐻 → ((((𝑓:ℕ⟶𝐻 ∧ 𝑓 ⇝𝑣 𝑥) → 𝑥 ∈ 𝐻) ∧ 𝑓 ⇝𝑣 𝑥) → (𝑥 ∈ 𝐻 ∧ 𝑓 ⇝𝑣 𝑥)))
13	12	eximdv 1919	. . . . . . . . . 10 ⊢ (𝑓:ℕ⟶𝐻 → (∃𝑥(((𝑓:ℕ⟶𝐻 ∧ 𝑓 ⇝𝑣 𝑥) → 𝑥 ∈ 𝐻) ∧ 𝑓 ⇝𝑣 𝑥) → ∃𝑥(𝑥 ∈ 𝐻 ∧ 𝑓 ⇝𝑣 𝑥)))
14	13	com12 32	. . . . . . . . 9 ⊢ (∃𝑥(((𝑓:ℕ⟶𝐻 ∧ 𝑓 ⇝𝑣 𝑥) → 𝑥 ∈ 𝐻) ∧ 𝑓 ⇝𝑣 𝑥) → (𝑓:ℕ⟶𝐻 → ∃𝑥(𝑥 ∈ 𝐻 ∧ 𝑓 ⇝𝑣 𝑥)))
15		df-rex 3062	. . . . . . . . 9 ⊢ (∃𝑥 ∈ 𝐻 𝑓 ⇝𝑣 𝑥 ↔ ∃𝑥(𝑥 ∈ 𝐻 ∧ 𝑓 ⇝𝑣 𝑥))
16	14, 15	imbitrrdi 252	. . . . . . . 8 ⊢ (∃𝑥(((𝑓:ℕ⟶𝐻 ∧ 𝑓 ⇝𝑣 𝑥) → 𝑥 ∈ 𝐻) ∧ 𝑓 ⇝𝑣 𝑥) → (𝑓:ℕ⟶𝐻 → ∃𝑥 ∈ 𝐻 𝑓 ⇝𝑣 𝑥))
17	6, 16	syl 17	. . . . . . 7 ⊢ ((∀𝑥((𝑓:ℕ⟶𝐻 ∧ 𝑓 ⇝𝑣 𝑥) → 𝑥 ∈ 𝐻) ∧ 𝑓 ∈ Cauchy) → (𝑓:ℕ⟶𝐻 → ∃𝑥 ∈ 𝐻 𝑓 ⇝𝑣 𝑥))
18	17	ex 412	. . . . . 6 ⊢ (∀𝑥((𝑓:ℕ⟶𝐻 ∧ 𝑓 ⇝𝑣 𝑥) → 𝑥 ∈ 𝐻) → (𝑓 ∈ Cauchy → (𝑓:ℕ⟶𝐻 → ∃𝑥 ∈ 𝐻 𝑓 ⇝𝑣 𝑥)))
19		nfv 1916	. . . . . . . 8 ⊢ Ⅎ𝑥 𝑓 ∈ Cauchy
20		nfv 1916	. . . . . . . . 9 ⊢ Ⅎ𝑥 𝑓:ℕ⟶𝐻
21		nfre1 3262	. . . . . . . . 9 ⊢ Ⅎ𝑥∃𝑥 ∈ 𝐻 𝑓 ⇝𝑣 𝑥
22	20, 21	nfim 1898	. . . . . . . 8 ⊢ Ⅎ𝑥(𝑓:ℕ⟶𝐻 → ∃𝑥 ∈ 𝐻 𝑓 ⇝𝑣 𝑥)
23	19, 22	nfim 1898	. . . . . . 7 ⊢ Ⅎ𝑥(𝑓 ∈ Cauchy → (𝑓:ℕ⟶𝐻 → ∃𝑥 ∈ 𝐻 𝑓 ⇝𝑣 𝑥))
24		bi2.04 387	. . . . . . . . 9 ⊢ ((𝑓 ∈ Cauchy → (𝑓:ℕ⟶𝐻 → ∃𝑥 ∈ 𝐻 𝑓 ⇝𝑣 𝑥)) ↔ (𝑓:ℕ⟶𝐻 → (𝑓 ∈ Cauchy → ∃𝑥 ∈ 𝐻 𝑓 ⇝𝑣 𝑥)))
25		hlimcaui 31294	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ (𝑓 ⇝𝑣 𝑥 → 𝑓 ∈ Cauchy)
26	25	imim1i 63	. . . . . . . . . . 11 ⊢ ((𝑓 ∈ Cauchy → ∃𝑥 ∈ 𝐻 𝑓 ⇝𝑣 𝑥) → (𝑓 ⇝𝑣 𝑥 → ∃𝑥 ∈ 𝐻 𝑓 ⇝𝑣 𝑥))
27		rexex 3067	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ (∃𝑥 ∈ 𝐻 𝑓 ⇝𝑣 𝑥 → ∃𝑥 𝑓 ⇝𝑣 𝑥)
28		hlimeui 31298	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ (∃𝑥 𝑓 ⇝𝑣 𝑥 ↔ ∃!𝑥 𝑓 ⇝𝑣 𝑥)
29	27, 28	sylib 218	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ (∃𝑥 ∈ 𝐻 𝑓 ⇝𝑣 𝑥 → ∃!𝑥 𝑓 ⇝𝑣 𝑥)
30		exancom 1863	. . . . . . . . . . . . 13 ⊢ (∃𝑥(𝑥 ∈ 𝐻 ∧ 𝑓 ⇝𝑣 𝑥) ↔ ∃𝑥(𝑓 ⇝𝑣 𝑥 ∧ 𝑥 ∈ 𝐻))
31	15, 30	sylbb 219	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ (∃𝑥 ∈ 𝐻 𝑓 ⇝𝑣 𝑥 → ∃𝑥(𝑓 ⇝𝑣 𝑥 ∧ 𝑥 ∈ 𝐻))
32		eupick 2634	. . . . . . . . . . . 12 ⊢ ((∃!𝑥 𝑓 ⇝𝑣 𝑥 ∧ ∃𝑥(𝑓 ⇝𝑣 𝑥 ∧ 𝑥 ∈ 𝐻)) → (𝑓 ⇝𝑣 𝑥 → 𝑥 ∈ 𝐻))
33	29, 31, 32	syl2anc 585	. . . . . . . . . . 11 ⊢ (∃𝑥 ∈ 𝐻 𝑓 ⇝𝑣 𝑥 → (𝑓 ⇝𝑣 𝑥 → 𝑥 ∈ 𝐻))
34	26, 33	syli 39	. . . . . . . . . 10 ⊢ ((𝑓 ∈ Cauchy → ∃𝑥 ∈ 𝐻 𝑓 ⇝𝑣 𝑥) → (𝑓 ⇝𝑣 𝑥 → 𝑥 ∈ 𝐻))
35	34	imim2i 16	. . . . . . . . 9 ⊢ ((𝑓:ℕ⟶𝐻 → (𝑓 ∈ Cauchy → ∃𝑥 ∈ 𝐻 𝑓 ⇝𝑣 𝑥)) → (𝑓:ℕ⟶𝐻 → (𝑓 ⇝𝑣 𝑥 → 𝑥 ∈ 𝐻)))
36	24, 35	sylbi 217	. . . . . . . 8 ⊢ ((𝑓 ∈ Cauchy → (𝑓:ℕ⟶𝐻 → ∃𝑥 ∈ 𝐻 𝑓 ⇝𝑣 𝑥)) → (𝑓:ℕ⟶𝐻 → (𝑓 ⇝𝑣 𝑥 → 𝑥 ∈ 𝐻)))
37	36	impd 410	. . . . . . 7 ⊢ ((𝑓 ∈ Cauchy → (𝑓:ℕ⟶𝐻 → ∃𝑥 ∈ 𝐻 𝑓 ⇝𝑣 𝑥)) → ((𝑓:ℕ⟶𝐻 ∧ 𝑓 ⇝𝑣 𝑥) → 𝑥 ∈ 𝐻))
38	23, 37	alrimi 2221	. . . . . 6 ⊢ ((𝑓 ∈ Cauchy → (𝑓:ℕ⟶𝐻 → ∃𝑥 ∈ 𝐻 𝑓 ⇝𝑣 𝑥)) → ∀𝑥((𝑓:ℕ⟶𝐻 ∧ 𝑓 ⇝𝑣 𝑥) → 𝑥 ∈ 𝐻))
39	18, 38	impbii 209	. . . . 5 ⊢ (∀𝑥((𝑓:ℕ⟶𝐻 ∧ 𝑓 ⇝𝑣 𝑥) → 𝑥 ∈ 𝐻) ↔ (𝑓 ∈ Cauchy → (𝑓:ℕ⟶𝐻 → ∃𝑥 ∈ 𝐻 𝑓 ⇝𝑣 𝑥)))
40	39	albii 1821	. . . 4 ⊢ (∀𝑓∀𝑥((𝑓:ℕ⟶𝐻 ∧ 𝑓 ⇝𝑣 𝑥) → 𝑥 ∈ 𝐻) ↔ ∀𝑓(𝑓 ∈ Cauchy → (𝑓:ℕ⟶𝐻 → ∃𝑥 ∈ 𝐻 𝑓 ⇝𝑣 𝑥)))
41		df-ral 3053	. . . 4 ⊢ (∀𝑓 ∈ Cauchy (𝑓:ℕ⟶𝐻 → ∃𝑥 ∈ 𝐻 𝑓 ⇝𝑣 𝑥) ↔ ∀𝑓(𝑓 ∈ Cauchy → (𝑓:ℕ⟶𝐻 → ∃𝑥 ∈ 𝐻 𝑓 ⇝𝑣 𝑥)))
42	40, 41	bitr4i 278	. . 3 ⊢ (∀𝑓∀𝑥((𝑓:ℕ⟶𝐻 ∧ 𝑓 ⇝𝑣 𝑥) → 𝑥 ∈ 𝐻) ↔ ∀𝑓 ∈ Cauchy (𝑓:ℕ⟶𝐻 → ∃𝑥 ∈ 𝐻 𝑓 ⇝𝑣 𝑥))
43	42	anbi2i 624	. 2 ⊢ ((𝐻 ∈ Sℋ ∧ ∀𝑓∀𝑥((𝑓:ℕ⟶𝐻 ∧ 𝑓 ⇝𝑣 𝑥) → 𝑥 ∈ 𝐻)) ↔ (𝐻 ∈ Sℋ ∧ ∀𝑓 ∈ Cauchy (𝑓:ℕ⟶𝐻 → ∃𝑥 ∈ 𝐻 𝑓 ⇝𝑣 𝑥)))
44	1, 43	bitri 275	1 ⊢ (𝐻 ∈ Cℋ ↔ (𝐻 ∈ Sℋ ∧ ∀𝑓 ∈ Cauchy (𝑓:ℕ⟶𝐻 → ∃𝑥 ∈ 𝐻 𝑓 ⇝𝑣 𝑥)))

Syntax hints:   → wi 4   ↔ wb 206   ∧ wa 395  ∀wal 1540  ∃wex 1781   ∈ wcel 2114  ∃!weu 2569  ∀wral 3052  ∃wrex 3061   class class class wbr 5099  ⟶wf 6489  ℕcn 12149   ℋchba 30977  Cauchyccauold 30984   ⇝_𝑣 chli 30985   S_ℋ csh 30986   C_ℋ cch 30987

This theorem was proved from axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-3 8  ax-gen 1797  ax-4 1811  ax-5 1912  ax-6 1969  ax-7 2010  ax-8 2116  ax-9 2124  ax-10 2147  ax-11 2163  ax-12 2185  ax-ext 2709  ax-rep 5225  ax-sep 5242  ax-nul 5252  ax-pow 5311  ax-pr 5378  ax-un 7682  ax-cnex 11086  ax-resscn 11087  ax-1cn 11088  ax-icn 11089  ax-addcl 11090  ax-addrcl 11091  ax-mulcl 11092  ax-mulrcl 11093  ax-mulcom 11094  ax-addass 11095  ax-mulass 11096  ax-distr 11097  ax-i2m1 11098  ax-1ne0 11099  ax-1rid 11100  ax-rnegex 11101  ax-rrecex 11102  ax-cnre 11103  ax-pre-lttri 11104  ax-pre-lttrn 11105  ax-pre-ltadd 11106  ax-pre-mulgt0 11107  ax-pre-sup 11108  ax-addf 11109  ax-mulf 11110  ax-hilex 31057  ax-hfvadd 31058  ax-hvcom 31059  ax-hvass 31060  ax-hv0cl 31061  ax-hvaddid 31062  ax-hfvmul 31063  ax-hvmulid 31064  ax-hvmulass 31065  ax-hvdistr1 31066  ax-hvdistr2 31067  ax-hvmul0 31068  ax-hfi 31137  ax-his1 31140  ax-his2 31141  ax-his3 31142  ax-his4 31143  ax-hcompl 31260

This theorem depends on definitions:  df-bi 207  df-an 396  df-or 849  df-3or 1088  df-3an 1089  df-tru 1545  df-fal 1555  df-ex 1782  df-nf 1786  df-sb 2069  df-mo 2540  df-eu 2570  df-clab 2716  df-cleq 2729  df-clel 2812  df-nfc 2886  df-ne 2934  df-nel 3038  df-ral 3053  df-rex 3062  df-rmo 3351  df-reu 3352  df-rab 3401  df-v 3443  df-sbc 3742  df-csb 3851  df-dif 3905  df-un 3907  df-in 3909  df-ss 3919  df-pss 3922  df-nul 4287  df-if 4481  df-pw 4557  df-sn 4582  df-pr 4584  df-op 4588  df-uni 4865  df-iun 4949  df-br 5100  df-opab 5162  df-mpt 5181  df-tr 5207  df-id 5520  df-eprel 5525  df-po 5533  df-so 5534  df-fr 5578  df-we 5580  df-xp 5631  df-rel 5632  df-cnv 5633  df-co 5634  df-dm 5635  df-rn 5636  df-res 5637  df-ima 5638  df-pred 6260  df-ord 6321  df-on 6322  df-lim 6323  df-suc 6324  df-iota 6449  df-fun 6495  df-fn 6496  df-f 6497  df-f1 6498  df-fo 6499  df-f1o 6500  df-fv 6501  df-riota 7317  df-ov 7363  df-oprab 7364  df-mpo 7365  df-om 7811  df-1st 7935  df-2nd 7936  df-frecs 8225  df-wrecs 8256  df-recs 8305  df-rdg 8343  df-er 8637  df-map 8769  df-pm 8770  df-en 8888  df-dom 8889  df-sdom 8890  df-sup 9349  df-inf 9350  df-pnf 11172  df-mnf 11173  df-xr 11174  df-ltxr 11175  df-le 11176  df-sub 11370  df-neg 11371  df-div 11799  df-nn 12150  df-2 12212  df-3 12213  df-4 12214  df-n0 12406  df-z 12493  df-uz 12756  df-q 12866  df-rp 12910  df-xneg 13030  df-xadd 13031  df-xmul 13032  df-icc 13272  df-seq 13929  df-exp 13989  df-cj 15026  df-re 15027  df-im 15028  df-sqrt 15162  df-abs 15163  df-topgen 17367  df-psmet 21305  df-xmet 21306  df-met 21307  df-bl 21308  df-mopn 21309  df-top 22842  df-topon 22859  df-bases 22894  df-lm 23177  df-haus 23263  df-cau 25216  df-grpo 30551  df-gid 30552  df-ginv 30553  df-gdiv 30554  df-ablo 30603  df-vc 30617  df-nv 30650  df-va 30653  df-ba 30654  df-sm 30655  df-0v 30656  df-vs 30657  df-nmcv 30658  df-ims 30659  df-hnorm 31026  df-hvsub 31029  df-hlim 31030  df-hcau 31031  df-ch 31279

This theorem is referenced by:  chcompl  31300  occl  31362